JP2001287082A - はんだ合金 - Google Patents

はんだ合金

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Mitsuo Yamashita
満男 山下
Shinji Tada
慎司 多田
Kunio Shiokawa
国夫 塩川
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のSn-Cu 系はんだ合金を改良して耐熱性，
接合性，強度，延性の艮好な鉛フリーの新規なSn-Cu 系
はんだ合金を得る。 【解決手段】スズを主成分とし、銅を1 重量％以下、ニ
ッケルを0.2 重量％以下、ゲルマニウムを0.1 重量％以
下含有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電子機器の金属
接合に使用されるはんだ合金に係り、特に鉛を含有しな
いで、公害がなく環境に優しいはんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子機器において、はんだ接合を行う際
には、はんだ合金は所望の接合温度を有するとともに、
接合性，熱疲労強度，耐熱性に優れていることが要求さ
れる。またはんだ合金は環境上の配慮から鉛を含有しな
いことが望まれる。従来のはんだ合金としては、Sn-Pb
系はんだ合金，Sn-Ag 系はんだ合金，Sn-Sb 系はんだ合
金，Sn-Bi 系はんだ合金，Sn-Cu 系はんだ合金を挙げる
ことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】代表的なSn-Pb 系はん
だ合金である63wt%Sn-37wt% Pb共晶組成( 共晶温度183
℃) の63Sn-37Pb 合金は、鉛を含有するので鉛公害を引
き起こし環境に優しいものではない。上述の63Sn-37Pb
はんだ合金に代わる鉛フリーはんだ合金としては、Sn-A
g 系はんだ合金(Sn-3.5wt%Ag組成, 共晶温度221 ℃), S
n-Sb系はんだ合金(Sn-9wt%Sb組成, 包晶温度246 ℃）,
Sn-Bi 系はんだ合金(Sn-58wt%Bi 組成，共晶温度139
℃），Sn-Cu 系はんだ合金(Sn-0.7wt%Cu組成，共晶温度
227 ℃) がある。これらの合金は、63Sn-37Pb 共晶はん
だ合金に比較して価格が高く、また Sn ベースの合金と
なるため、Snが酸化しやすく、ぬれ性に劣る。Sn-Bi 系
はんだ合金は、63Sn-37Pb 共晶はんだ合金に代わるもの
とするには、溶融温度が低過ぎ、耐熱性も良好ではな
い。Sn-Cu 系はんだ合金は、Sn-Ag 系はんだ合金、Sn-S
b系はんだ合金に比較して、価格は安価であるが、接合
時のぬれ性, 耐熱性に劣るという課題があった。
【０００４】この発明は上述の点に鑑みてなされその目
的は、従来のSn-Cu 系はんだ合金を改良して、耐熱性，
接合性，強度，延性の艮好な鉛フリーの新規なSn-Cu 系
はんだ合金を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば、スズを主成分とし、銅を1 重量％以下、ニッケ
ルを0.2 重量％以下、ゲルマニウムを0.1 重量％以下含
有することにより達成される。Snに Cu を添加すると、
Sn にCuが固溶し、あるいはSnCu金属間化合物を形成し
て、はんだ合金の強度が向上する。しかしながら Cu を
過度に添加すると、液相線が急激に上昇し、SnCu金属間
化合物が過多となり、流動性が低下する。従って過多な
SnCu金属間化合物により疲労強度の低下を起こすことが
ないようにCuの添加量は１wt% 以下が好適である。
【０００６】Niを添加すると、Niの溶融温度が高い上
に、NiがSnまたはCuへ固溶し、あるいはSnNi金属間化合
物を形成して、合金の熱的安定性が増し、耐熱性が向上
する。SnNi金属間化合物が過度に形成されると延性が低
下するので、Niを過多に添加することはできない。Snに
対するNiの固溶限界量は明確ではないが、報告(Constit
ution of Binary alloys, Second Edition, Max Hansen
and Kurt Anderko, McGRAW-HILL Book Company ) によ
れば、Sn-Ni の共晶点は0.15wt%Ni(共晶温度231.2 ℃)
、あるいは0.18wt%Ni(共晶温度232 ℃) である。Niの
添加量を増すと液相線が急激に上昇し、SnNi金属聞化合
物が過多になる。はんだ凝固時に際して、SnNi金属聞化
合物の濃度偏析を防止するために Ni の添加量は0.2wt%
以下が好適である。Niを微量添加すると、ぬれ性と耐熱
性が向上する。
【０００７】SnにGeを0.1 wt% 以下の割合で添加する
と、はんだ溶融時にSnに優先して簿い酸化膜が形成さ
れ、Snなどのはんだ成分の酸化が抑制される。添加量が
多過ぎると、Geによる酸化皮膜が厚くなり、接合性が悪
くなる。Niを添加すると、NiがCu等の被接合材と固溶体
や金属問化合物を形成し、ぬれ性が向上する。Niにさら
にGeを添加すると、GeがSnに代わって薄い酸化皮膜を形
成するために、Ge無添加の場合に比較して、Niのぬれ性
が一層向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】はんだ合金は、 Sn,Cu,Ni,Geの各
原料を電気炉中で溶解して作製した。各原料は99.99%以
上の純度を有する。Snを主成分とし、 Cu を1wt%以下，
Niを 0.2wt%以下，Geを0.1wt%以下含有する合金が作製
される。得られたSn-Cu 系はんだ合金は、直径3mm の試
験片とし、室温において0.02%/s の速度で引張り試験を
実施した。また125 ℃，応力 1kg/m2 でクリープひずみ
速度を測定した。ぬれ性はメニスコグラフ法により270
℃でフラックスを用いて実施した。
【０００９】
【実施例】はんだ合金として、Snに0.5wt%のCuを添加し
たSn-0.5Cu合金，さらにこの合金組成に0.05, 0.07, 0.
1wt%のNiを添加したSn-0.5Cu-0.05Ni 合金，Sn-0.5Cu-
0.07Ni 合金，Sn-0.5Cu-0.1Ni合金，さらにこれらのSn-
0.5Cu-Ni 合金に、Geをそれぞれ0.05wt% 添加したSn-0.
5Cu-0.05Ni-0.05Ge合金，Sn-0.5Cu-0.07Ni-0.05Ge合
金，Sn-0.5Cu-0.1Ni-0.05Ge 合金を作製し、引張り強
さ，伸び, クリープひずみ速度，ぬれ力を評価した。結
果が表１に示される。
【００１０】
【表１】 Sn-0.5Cu合金にNiを添加したSn-0.5Cu-0.05Ni 合金，Sn
-0.5Cu-0.07Ni 合金，Sn-0.5Cu-0.1Ni合金は、Sn-0.5Cu
合金に比較して引張り強さが増加する。延性の低下は少
ない。クリープひずみ速度は顕著に小さくなり、耐熱性
が改善される。さらに、ぬれ力は、0.05wt% 乃至は 0.1
wt% のNiの添加により明らかに増加する。
【００１１】Sn-0.5Cu-Ni 合金にGeを添加したSn-0.5Cu
-0.05Ni-0.05Ge合金，Sn-0.5Cu-0.07Ni-0.05Ge合金，Sn
-0.5Cu-0.1Ni-0.05Ge 合金は、Sn-0.5Cu-Ni 合金に比較
して引張り強さが0.05wt% と0.07wt% のNiの添加範囲で
増加する。その増加は Ni の少ない方が大きい。延性は
三者間で大差がない。クリープひずみ速度はGeの添加に
より小さくなり耐熱性が改善される。クリープひずみ速
度は、Ni量の多い方が小さい。またぬれ力は、Geの添加
により明らかに改善される。
【００１２】以上のようにNiを0.05ないし0.1wt%の範囲
で添加し、さらにGeを0.05wt% 添加すると、引張り強
さ，クリープひずみ速度，ぬれ力，伸びの良好なはんだ
合金が得られる。Geを添加すると、引張り強さが増加す
るが、その効果は Ni 量の少ない方が大きい。またフラ
ックスを用いたぬれ性試験において、ぬれ力が増加す
る。 Ge を添加すると、単にSnの酸化を抑制するだけで
はなく、はんだ構成元素であるSn,Cu,Niや被接合材に固
溶して金属間化合物を形成し、はんだ合金特性が大きく
向上する。このようにして、Niを0.1wt%以下、Geを0.05
wt% 添加することにより、金属間化合物を過多に形成す
ることなく、耐熱性，接合性，強度，延性の良好なSn-C
u 系はんだ合金が得られる。
【００１３】前述のように Sn-Niの共晶点は、報告によ
れば0.15wt%Ni(共晶温度231.2 ℃)または0.18wt%Ni(共
晶温度232 ℃) であり、さらに Ni がCuに対し全率固溶
体であるために、Niの組成は0.2wt%Ni以下においても上
述の効果が得られる。
【００１４】
【発明の効果】この発明によれば、スズを主成分とし、
銅を1 重量％以下、ニッケルを0.2 重量％以下、ゲルマ
ニウムを0.1 重量％以下含有するので、耐熱性，接合
性，強度，延性が良好で鉛フリーの新規なSn-Cu 系はん
だ合金が得られる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】スズを主成分とし、銅を1 重量％以下、ニ
    ッケルを0.2 重量％以下、ゲルマニウムを0.1 重量％以
    下含有することを特徴とするはんだ合金。
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